Fakta
Aktivera ordförklaringar

Genetisk modifiering av växter – hur går det till?

Genetisk modifiering innebär att en organisms genom förändras med genteknik. Det kan handla om att nytt DNA, till exempel en ny gen, läggs till. När en växt transformeras och nytt DNA förs in tar man ofta hjälp av en jordbakterie.

Sammanfattning

När nytt DNA ska föras in i växter används ofta Agrobacterium tumefaciens. Det är en jordbakterie som naturligt för över sina gener till växtens genom. Bakterien används därför som vektor för att introducera nya gener i olika växter inom forskning och förädling.

Nytt DNA kan också föras in med andra tekniker som mikroinjektion eller genkanon som skjuter in DNA eller proteiner direkt i växtcellen. Samma metoder kan användas vid genomredigering. Då måste den gensax som används, till exempel CRISPR/Cas9, föras in i växternas celler.

Nära sjuttiofem procent av all sojaböna som odlas i världen är genetiskt modifierad, ofta med gener som ger tolerans mot ogräsmedel. Bild från Pixabay.

En bakterie som genmodifierar

När nytt DNA förs in i en organisms genom kallas det för transformation. Transformering med hjälp av jordbakterien Agrobacterium tumefaciens är en etablerad metod för att föra in nytt DNA i växter.

Bakterien har en naturlig förmåga att överföra en del av sina gener till växtceller och integrera dem i växtens genom. Det orsakar en tumörliknande tillväxt kallad krongallsjuka eftersom bakterien fört över gener till växten som påverkar nivåerna av tillväxtreglerande ämnen. Det får växtcellerna att dela sig okontrollerat. Dessutom för bakterien över gener som får tumörcellerna att producera ämnen, opiner, som den livnär sig på.

I biotekniska tillämpningar utnyttjas Agrobacteriums förmåga att föra över gener och integrera dem i växtens genom. De sjukdomsframkallande generna ersätts då med en eller flera gener som forskaren vill föra över till växten. Bakterien fungerar då som en “vektor” som transporterar in de nya generna i växtens genom.

Bakterien Agrobacterium tumefaciens som infekterat ett träd och orsakat tumörliknande utväxter. Bild från Depositphotos.

Så här gör Agrobacterium tumefaciens

Ett stort steg i växtforskningen och för möjligheten att förädla grödor med genteknik togs i början av 1980-talet. Då började man förstå i detalj hur Agrobacterium gör när den för över sitt DNA till växtens genom.

Har en ovanlig plasmid

Bakterier sitt DNA inte bara i en kromosom utan ofta också i ringformade strukturer som kallas plasmider. I plasmiderna finns till exempel gener som gynnar bakterierna i en viss miljö. Agrobacterium har en ovanligt stor tumör-inducerande plasmid (Ti-plasmid) som bär på de gener som ska integreras i växtcellens DNA. De generna sitter i en del av plasmiden som kallas för transfer-DNA, eller T-DNA.

Plasmiden har också gener för att producera virulensfaktorer. Det är de proteiner som guidar bakteriegenerna in i växtens celler. Virulensfaktorerna aktiveras av kemiska signaler som skickas ut från skadade växtceller. Faktorerna känner av de specifika sekvenser som omger T-DNA, klipper ut den delen från plasmiden och guidar sedan in T-DNA från bakterien in i växtcellen.

Agrobacterium tumefaciens är en jordbakterie som kan infektera skadade växter och orsaka krongallsjuka. Det gör den genom att föra över gener till växtens genom, som får växten att bilda en tumör och producera ämnen som bakterien livnär sig på. Generna som förs över sitter inom T-DNA-regionen på en speciell plasmid. Illustration Gunilla Elam

Ger upphov till en tumör

Inne i växtcellen för virulensfaktorer T-DNA vidare in i cellkärnan där det integreras på ett slumpmässigt ställe i växtens genom. Här uttrycks sedan bakteriens gener och ger då upphov till en tumör.

Agrobacterium utför på så vis horisontell genöverföring och är därmed en naturligt förekommande genmodifierare. I och med att det nu finns fullständiga DNA-sekvenser för många olika växters genom kan man se att bakterien varit flitig med att flytta in sina gener i olika växtarter.

För forskning och förädling

Genetisk modifiering av växter används inom forskningen för att öka kunskapen om geners funktioner och hur olika processer i växten regleras genetiskt. Genetisk modifiering kan också användas praktisk för att utveckla växter med egenskaper som ökad resistens mot sjukdomar och skadegörare, tolerans mot ogräsmedel, förbättrad näringskvalitet eller bättre anpassning till klimatrelaterade stressfaktorer som torka och värme.

Bt-bomull är ett exempel på en gröda som modifierats genetiskt. Modifieringen är en gen från en bakterie som gör att bomullsplantan producerar ett toxin som håller dödar skadeinsekter som annars kan förstöra skörden. Bild från Pixabay.

Agrobacteriums naturliga förmåga att föra över och integrera gener i växters genom gör att den ofta används för genetisk transformering i både växtforskning och växtförädling. Med hjälp av genteknik har man ändrat Agrobacteriums stora Ti-plasmid för att göra den enklare att arbeta med i labbet. Man har till exempel delat upp den på två mindre plasmider i stället, en med generna som kodar för virulensfaktorer och en mindre plasmid som bär på T-DNA.

Markörgen för att skilja ut modifierade plantor

I T-DNA-plasmiden har man tagit bort bakteriens tumörframkallande gener och i stället satt in en så kallad markörgen. En markörgen gör det möjligt att skilja ut de växter eller växtceller som blivit genetiskt modifierade. Det kan till exempel vara en gen som ger motståndskraft mot antibiotika eller ett ogräsmedel. Den egenskapen används enbart under utvecklingsfasen av den genetiskt modifierade växten.

Det finns numera olika T-DNA-plasmider som är skräddarsydda för olika ändamål, och ofta har de också speciella sekvenser som underlättar för forskaren att sätta in en ny gen i plasmidens T-DNA-region, bredvid markörgenen. När det är klart för man tillbaka plasmiden till Agrobacterium och låter bakterien infektera växten.

Fungerar på många olika växter

Agrobacterium infekterar många olika växtarter, till exempel forskarnas modellväxt, backtrav, Arabidopsis thaliana. För att backtrav ska infekteras och bilda genetiskt modifierade frön räcker det att doppa växten i en Agrobacterium-soppa när den är i knopp och precis ska börja blomma.

DNA kan föras in i växtens celler med hjälp av Agrobacterium tumefaciens, som antingen kan infektera växten direkt när den doppas i en bakteriesoppa eller när växtdelar samodlas med bakterien. DNA kan också skjutas in i växtens celler med en genkanon. Illustration Gunilla Elam.

För att infektera mer motståndskraftiga växter, eller för att infektera växtceller utan att växten behöver gå i blom och bilda frön, så kan man använda cell-och vävnadsodling. Då låter man Agrobacterium infektera exponerade celler av bladdelar eller tunna stammar, som behandlats så de är sterila, och odlas i burkar på näringsmedium.

Cellvägg kan tas bort för att möjliggöra modifiering

Även enskilda växtceller som fått sin cellvägg upplöst, så de bara omges av sitt plasmamembran på samma sätt som djurceller kan infekteras. Sådana växtceller kallas för protoplaster. En lösning med Agrobacterium kan tillsättas till vävnadsdelarna eller protoplasterna, och bakterien kommer då infektera de celler den kommer i kontakt med när de samodlas.

De infekterade och modifierade cellerna flyttas sedan till nytt näringsmedium med hormoner som stimulerar celldelning och rot- och skottbildning.

I det här steget vill man också skilja ut de celler som modifierats från sådana som inte gjort det. Beroende av vilken markörgen man använt tillsätts till exempel antibiotika eller ogräsmedel. Då dör alla celler som inte tål medlet, det vill säga de som inte bär markörgenen, och bara de modifierade fortsätter dela sig. När sedan rötter och skott bildats kan de modifierade växterna flyttas över på jord och odlas och studeras vidare.

Genkanoner och andra sätt att transformera växter

DNA kan också föras in i växtens celler utan att ta hjälp av en bakterie. I stället kan man använda en så kallad genkanon för att skjuta in mycket små guldpartiklar täckta med DNA i växtcellerna. Väl inne i cellerna kan DNA sedan integrera i växtens genom. Det här kan fungera också på växter som Agrobacterium har svårt att infektera.

Med en genkanon kan man också föra in större DNA-bitar med flera gener, än vad Agrobacterium klarar av. Ett problem med metoden är att det ofta integreras många kopior och att det DNA som förs in kan bli omstrukturerat på ett sätt som är svårt att förutsäga.

Andra sätt att genetiskt modifiera växter är att utsätta protoplaster för en elektrisk puls eller behandla dem med ett medel, som gör att DNA tas upp över plasmamembranet. Man kan också använda mikroinjektion för att direkt föra in DNA i cellen. Nya metoder för genetisk transformering utvecklas hela tiden eftersom det är så grundläggande för forskning och förädling av växter.

CRISPR/Cas9 direkt in i växtcellen

Protoplaster kan relativt enkelt fås att släppa in DNA, men även proteiner och RNA-molekyler kan tas upp. Det här är viktigt när man vill använda gensaxen CRISPR/Cas9. Med en gensax kan man förändra växtens genom utan att föra in något nytt DNA.

Gensaxen består av ett Cas9-enzym som bär ett guide-RNA, som bestämmer var enzymet ska klippa upp växtens DNA. Växtcellen ser sedan till att laga ett sådant DNA-strängsbrott. Det ger ofta upphov till en ändring i DNA-sekvensen, en mutation. Resultatet blir en redigering av växtens egna DNA-sekvens.

Gensaxen CRISPR/Cas9 består av två komponenter: ett guide-RNA och enzymet Cas9. Dessa komponenter förs in i celler vars DNA ska redigeras. Illustration Gunilla Elam.

Ofta för man in gener för både Cas9-enzymet och guide-RNA i växtens genom. Då kommer enzymet och guide-RNA att uttryckas i cellen och utföra redigeringen. Men, det är ju bara redigeringen man önskar. Generna som kodar för CRISPR/Cas9 vill man sedan bli av med. Det gör man genom att korsa den genomredigerade växten med den icke-modifierade varianten. Efter ett par generationer analyserar man sedan avkommorna, och behåller de växter som bara har genomredigeringen, men inte CRISPR-generna.

Det här kräver förstås att man kan få växten att gå i blom och sätta frö, och det kan vara tids- och resurskrävande. Om man till exempel vill modifiera banan eller potatis som alltid eller ofta förökas vegetativt kan det vara omöjligt eller besvärligt. Man kan då istället föra in guide-RNA och Cas9-enzymet direkt i protoplaster, och därmed undvika att någon ny gen integreras i genomet. De här molekylerna kommer så småningom brytas ner, och enbart det jobb de utfört, genomredigeringen, blir kvar.

Referenser